Phân tích ảnh hưởng của đường phản xạ, sự phân bố nguồn sáng và mô hình thực nghiệm trong truyền thông ánh sáng dùng LED

Trong nghiên cứu này, đề xuất giải quyết ba vấn đề. Thứ nhất phân bố công suất nguồn sáng, thứ hai phân tích ảnh hưởng của góc truyền, cuối cùng là tính toán nguồn phản xạ ảnh hưởng lên năng lượng thu của photodiode. Ngoài ra, chúng tôi cũng đã xây dựng mô hình thực nghiệm để thực hiện truyền thông. Kết quả mô phỏng cho thấy năng lượng thu của máy thu bị tác động rất lớn bởi góc truyền và sự phản xạ ánh sáng, ngoài ra nếu phân bố nguồn sáng hợp lí sẽ cải thiện đáng kể năng lượng thu. Hơn nữa, Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh rằng tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống đề xuất có thể đạt được 115 Kbps ứng với khoảng cách truyền là 80cm.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phân tích ảnh hưởng của đường phản xạ, sự phân bố nguồn sáng và mô hình thực nghiệm trong truyền thông ánh sáng dùng LED Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số đặc biệt (11/2017), tr. 39-44 Journal of Science of Lac Hong University Special issue (11/2017), pp. 39-44 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐƯỜNG PHẢN XẠ, SỰ PHÂN BỐ NGUỒN SÁNG VÀ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM TRONG TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG DÙNG LED Analysis the effects of reflection, the light source distribution and modeling experiment in communications using LED light 1 Nguyễn Thanh Sơn, 2Nguyễn Đức Hoàng, 3Bùi Hồng Trang, 4Phan Thị Thu Hiền 1nguyenthanhson@lhu.edu.vn, 2nguyenduchoang1711@gmail.com, 3 4 buihongtranglhu@gmail.com, phanhien28495@gmail.com, Khoa Cơ Điện - Điện Tử, Trường Đại học Lạc Hồng, Đồng Nai, Việt Nam 1,2,3,4 Đến tòa soạn: 07/08/2017; Chấp nhận đăng: 08/09/2017 Tóm tắt. Những năm gần đây đã gia tăng đáng kể các nghiên cứu tập trung khai thác ứng dụng của đèn LED dùng chung cho cả hai mục đích là chiếu sáng và truyền thông tốc độ cao. Tuy nhiên, hai hạn chế lớn nhất khi sử dụng ánh sáng LED trong truyền thông là khoảng cách truyền ngắn và môi trường truyền phải theo tầm nhìn thẳng (Line-of-sight). Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất giải quyết ba vấn đề. Thứ nhất phân bố công suất nguồn sáng, thứ hai phân tích ảnh hưởng của góc truyền, cuối cùng là tính toán nguồn phản xạ ảnh hưởng lên năng lượng thu của photodiode. Ngoài ra, chúng tôi cũng đã xây dựng mô hình thực nghiệm để thực hiện truyền thông. Kết quả mô phỏng cho thấy năng lượng thu của máy thu bị tác động rất lớn bởi góc truyền và sự phản xạ ánh sáng, ngoài ra nếu phân bố nguồn sáng hợp lí sẽ cải thiện đáng kể năng lượng thu. Hơn nữa, Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh rằng tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống đề xuất có thể đạt được 115 Kbps ứng với khoảng cách truyền là 80cm. Từ khóa: Phản xạ ánh sáng; Ánh sáng khả kiến; Phân bố nguồn sáng; Truyền thông ánh sáng Abstract. In recent years there has been a significant increase in the number of studies that focus on the use of common LEDs for both lighting and high-speed communications. However, two difficulties in using the light in communication are the short transmission distance and the line-of-sight transmission environment. In this study, we propose addressing three issues. First, the distribution of light source power, the second is the effect of the transmission angle, the final is to calculate the reflected power affecting the energy of the photodiode. In addition, we have also built empirical models for communication implementation. The simulation results show that the receiver energy is greatly affected by the angle of incidence and the reflection of the light, and that, if properly distributed, a significant increase in energy is obtained. Moreover, the results of empirical studies have shown that the proposed data transfer rate can reach 115 Kbps with a transmission distance of 80 cm. Keywords: Reflection of light; Visible light; Light distribution; Light communication 1. GIỚI THIỆU Hiện nay, lượng điện dùng trong chiếu sáng ở Việt Nam chiếm khoảng trên 25% và sẽ tăng cao hơn trong những năm tới. Trong khi các nguồn cung cấp năng lượng ngày càng khan hiếm, cạn kiệt không thể đáp ứng đủ yêu cầu. Để khắc phục, trên thế giới hiện nay, Mỹ và các nước như Nhật, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc và Việt Nam đã sử dụng đèn LED thay thế các loại đèn chiếu sáng truyền thống. Với việc thay thế này, cùng với chính sách quản lý hiệu quả, kết quả thu được có thể giảm 50% lượng điện dùng cho chiếu sáng. Chính vì điều đó mà việc sử dụng đèn LED ngày càng phổ biến trên thế giới và hứa hẹn nhiều ứng dụng trong tương lai ở Việt Nam. Ngoài những tính năng nổi trội kể trên, đèn LED còn có một khả năng rất thú vị khác mà thời gian gần đây đang được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm đó là khi điều khiển các đèn LED nhấp nháy thật nhanh để truyền dữ liệu có thể tạo ra hệ thống kết nối mạng không dây tốc độ cao. Theo một nghiên cứu được thực hiện bởi viện Fraunhofer của Đức, công nghệ này hiện có thể truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 1 Gigabit/giây.(1) Khái niệm hệ thống truyền thông bằng ánh sáng khả kiến (Visible Light Communications, VLC) hay còn gọi là LiFi đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu, chủ yếu nhờ vào tính phổ biến của công nghệ đèn LED. Gầy đây, nghiên cứu VLC đã bắt đầu được thực hiện ở Nhật. Phòng thí nghiệm Nakagawa của đại học Keio đã xuất bản rất nhiều bài báo nghiên cứu về VLC, cụ thể như những phân tích cơ bản về VLC [1], sự kết hợp của VLC với truyền thông trên đường dây điện [2]. Ở Hàn Quốc cũng đã công bố rất nhiều nghiên cứu như kết quả đo cho điều chế băng thông của LED [3]. Nghiên cứu của đại học Oxford về vấn đề điều chế băng thông của LED ứng dụng cho VLC cũng đã được công bố [4]. Tuy nhiên, tất cả những nghiên cứu trên đang gặp phải một vấn đề khó khăn chung cần giải quyết đó là khoảng cách truyền thông đạt được còn rất hạn chế, độ tin cậy truyền thông chưa cao do đầu phát và phía thu phải truyền theo tầm nhìn thẳng (Line-of-sight). Một trong những giải pháp để giải quyết hai khó khăn trên đó là làm thế nào để tập trung năng lượng thu được tối ưu nhất ở máy thu. Nghiên cứu này, chúng tôi đã thực hiện tính toán chi tiết và mô phỏng nhiều trường hợp phân bố khác nhau của các đèn LED, ngoài ra cũng đã phân tích ảnh hưởng của góc truyền, tính toán đường phản xạ ảnh hưởng lên năng lượng thu của Photo diode áp dụng cho một văn phòng làm việc tiêu chuẩn. Kết quả đã chứng minh rằng nếu phân bố hợp lí nguồn sáng của các đèn LED sẽ thu được năng lượng tối ưu nhất. Đồng thời cũng cho thấy rõ những yếu tố quan trọng làm ảnh hưởng đến phân bố công suất thu tại máy thu. Tạp chí Khoa học Lạc Hồng Số Đặc Biệt 39 Nguyễn Thanh Sơn, Nguyễn Đức Hoàng, Bùi Hồng Trang, Phan Thị Thu Hiền Hình 1. Cấu trúc của một hệ thống VLC cơ bản Ngoài ra, kết quả thu được từ mô hình thực nghiệm bước đầu cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt được 1 ...